Sedam zapanjujućih činjenica o svemiru
— 21/11/2022 // Hotel Osijek, Osijek
1) U svemiru postoji ograničenje brzine
Kad bismo od svih prirodnih fenomena trebali izdvojiti onaj koji je najvažniji za astronomiju ili, još općenitije, koji je najzaslužniji za ljudsko razumijevanje svemira, onda bi to bez sumnje bila – svjetlost. Vidljiva svjetlost, ili svjetlost u užem smislu, i dalje je važan (premda više ne i jedini) donositelj informacija o svemiru. No, i sam uvid u prirodu svjetlosti pokazao se neizmjerno važnim za spoznavanje svemira. Danas znamo da svjetlost, jednako kao i materija, ima dvojnu ili valno-čestičnu prirodu. Čestična svojstva iskazuju se u interakcijama, naročito na višim energijama. U većini drugih situacija dominiraju pak neka od valnih svojstava: refleksija i refrakcija te ogib i interferencija. Svjetlost je dakle val, ali nije mehanički val (kojem treba medij: zrak, voda, klavirska žica…), nego elektromagnetski val (koji se može širiti kroz prazni prostor ili vakuum). Danas također znamo da prazan prostor nije ništavilo, nego je fizički entitet sa svojim karakteristikama. Lako je to danas reći, ali nije do te spoznaje bilo nimalo lako doći. U svakom slučaju, kao što medij, primjerice zrak, svojim karakteristikama određuje brzinu kojom se može gibati zvučni val (i ta brzina vala ne ovisi o brzinama izvora i opažača, nego samo o karakteristikama medija) tako i prostor svojim karakteristikama određuje brzinu kojom se može gibati svjetlosni val. Ni ta brzina ne ovisi o brzini svjetlosnog izvora ni o brzini opažača. Svaki neubrzavajući opažač, bez obzira na to kojom se brzinom giba u odnosu na svjetlosni izvor, uvijek izmjeri potpuno istu brzinu svjetlosti u vakuumu. To je slavna brzina svjetlosti, c, koja iznosi otprilike 300.000 km/s ili, ako baš hoćete, točno 299.792 458 m/s. Tu je činjenicu Einstein uzeo kao prvi postulat svoje posebne teorije relativnosti. Zajedno s drugim postulatom – da su zakoni fizike isti u svim neubrzavajućim sustavima – to je dovelo nevjerojatnih zaključaka. Jedan od tih zaključaka, koji je dobro eksperimentalno potvrđen, je ograničenje brzine u svemiru: svjetlost se u vakuumu uvijek giba brzinom c, ali materijalne čestice ne mogu ni postići ni nadmašiti tu brzinu. Zvuči ludo, ali je tako.
2) U svemiru ne postoji jedinstveno sada
Ograničenje brzine u svemiru je samo jedan od začuđujućih zaključaka posebne teorije relativnosti, proizašao iz dva jednostavna i razumna postulata. Postoje još mnogi drugi neobični zaključci. Vjerojatno najpoznatiji je onaj o ekvivalentnosti mase i energije izražen najslavnijom formulom u fizici E = mc2. Pa onda dobro poznati zaključci o kontrakciji duljine i dilataciji vremena. Također, tu je zaključak o relativnosti istodobnosti prema kojem ne postoji apsolutna istodobnost: ono što je istodobno jednom opažaču nije istodobno nekom drugom opažaču koji se u odnosu na prvoga giba nekom stalnom brzinom. Konačno, postoji jedan važan zaključak koji se rijetko spominje u udžbenicima, a još rjeđe u popularnim tekstovima o relativnosti: u svemiru ne postoji jedinstveno sada. Teško je to shvatiti, a i kad shvatite, teško je prihvatiti. Naime danas je, u doba globalizacije, većini ljudi lako prihvatljivo da je u Zagrebu 16 sati, dok je u New Yorku tek 10 sati, a u Tokiju već 23 sata. Ali to je samo stvar dogovora. Planet Zemlja dovoljno je mali da na njemu približno vrijedi jedinstveno sada. No, to jedinstveno sada je iluzija stvorena svakodnevnim iskustvom u zemaljskom okruženju. Na većim udaljenostima to ne funkcionira. Možete, recimo, postaviti pitanje što se baš sada događa na planetu Proxima Centaura b. Ali to pitanje jednostavno nema smisla zato što to jedinstveno sada naprosto ne postoji. Svemir nema jedinstveno sada. Ne znam je li itko dosad tu činjenicu uspio objasniti na popularizacijskoj razini, bez matematike. Možda se tome najviše približio Carlo Rovelli u knjizi The order of time (Allen Lane, 2018.)
3) Svemir je (možda) beskrajan
Ograničenje brzine u svemiru implicira još neke neobičnosti, primjerice ovu: gledanje u daljinu odgovara gledanju u prošlost. To nije teško shvatiti. Naime, ako svjetlost putuje konačnom brzinom, onda joj za prevaljivanje konačnog puta treba neko konačno vrijeme. S obzirom na to da je svemir nezamislivo velik, i ta vremena putovanja svjetlosti mogu biti velika. Od Sunca do Zemlje svjetlosti treba oko osam minuta. Nije puno, ali to znači da Sunce vidimo kakvo je bilo prije osam minuta. Od najbliže susjedne zvijezde do Zemlje svjetlost putuje oko četiri godine. To znači da gledajući u tu zvijezdu gledamo četiri godine u prošlost. To znači i da bi telefoniranje s nekim tko je na spomenutom ekstrasolarnom planetu Proxima Centaura b moglo izgledati ovako: “Halo, kako ste?”, muk koji traje osam godina pa onda tek: “Dobro. Hvala na pitanju. A vi?” No, to nije ništa prema vremenu koje svjetlosti treba da dođe s prve susjedne galaksije, Andromede – 2,5 milijuna godina. Kad gledamo Andromedu, a možemo ju u dobrim uvjetima opaziti i golim okom, vidimo ju kakva je bila prije 2,5 milijuna godina. A prije 2,5 milijuna godina tek je nastajao rod Homo, naši daleki preci su, goli i dlakavi, sretno vitlali prvim toljagama i gledali noćno nebo. A Andromeda nam je prva susjedna galaksija. S dalekih galaksija svjetlost je do Zemlje putovala dulje od starosti Zemlje, odnosno Sunčevog sustava. Možemo s priličnom sigurnošću reći da daleki kozmički objekti, čiju svjetlost danas opažamo, vjerojatno već odavno ne postoje. I sad najbizarnije od svega: najdalji objekti koje još možemo vidjeti nisu “kraj svemira”. Izvan područja opazivog svemira postoji sastavni dio našeg svemira koji ni načelno ne možemo opaziti. To na temelju današnjeg poznavanja kozmologije znamo, ali i dalje ne znamo je li svemir konačan ili beskonačan. U praktičnom smislu, iz ljudske perspektive, jest beskonačan, no ne znamo je li svemir beskonačan i u strogo matematičkom smislu.
4) U svemiru smo (možda) sami
Ako je svemir tako velik, mnogi ljudi pretpostavljaju da valjda još negdje – osim na Zemlji – postoji život. I ne samo život nego i nekakvi vanzemaljci, bića s drugih svjetova s kojima bismo jednog dana mogli stupiti u kontakt. Možda postoji, a možda i ne. Znam da zvuči strašno, ali to je jedino što u ovom času pošteno možemo reći. Znanost do danas nema pouzdanih podataka da drugdje postoji makar i bilo kakav život, a kamoli izvanzemaljska civilizacija s kojom bismo mogli komunicirati. Naravno, postoje ljudi koji svašta tvrde, ali to sa znanošću nema veze. Prirodnu znanost zanima mogućnost života izvan Zemlje i takva se pitanja ozbiljno istražuju. Postoji astrobiologija koja se time bavi. No, zasad nemamo na temelju čega opovrgnuti mogućnost da smo u svemiru sami. Možemo se nadati da nismo, to je u redu. Ali nada je nada, to nije alat znanstvene metode. Dok ne dođemo do nekog pouzdanog podatka o pitanju izvanzemaljskog života, možemo i razmišljati koji bi bili eventualni razlozi zašto o izvanzemaljcima još ništa nismo čuli (osim znanstvene fantastike i lažnih priča). Pedeset dobrih razloga obradio je Stephen Webb u svojoj sjajnoj knjizi Ako u svemiru nismo sami, gdje su vanzemaljci? (Jesenski i Turk, 2014.)
5) Svemir se širi ubrzano
Ne samo da je svemir jako velik nego i dalje raste. Stručno se to kaže: svemir se širi. Mogu pretpostaviti da ljude ovakva tvrdnja ljuti. Ako je svemir, po definiciji, sve što postoji, kuda se onda širi? Odgovor na to pitanje, koji će vas do kraja razljutiti, je: “Ni u što.” No, dobro. Najprije treba biti svjestan da se moderna fizika koja opisuje mikrosvijet (elementarne čestice i atome) i makrosvijet (galaksije i svemir) ne temelji na svakodnevnom iskustvu, prema tome, zdrav razum i na njemu zasnovane predodžbe nisu nam od pomoći. Balon s nacrtanim točkama, koji napuhujemo, može nam poslužiti samo da se uvjerimo da činjenica da se sve točke udaljavaju od odabrane točke ne znači da je odabrana točka u središtu, da ista činjenica vrijedi za svaku točku. Ali taj isti balon koji napuhujemo vodi nas u zabludu da širećem svemiru treba vanjski prazan prostor da bi se u njega širio. To je, dakle, krivo. Širenje treba shvatiti samo kao rastezanje prostora između dalekih galaksija. Nemojte zamišljati galaksije koje jure kroz prostor. Radije zamislite galaksije koje stoje, a prostor između njih kao neko tkivo koje s vremenom mijenja svoja svojstva. Dvije točke su danas udaljene ovoliko, a sutra onoliko. Svijet koji nas neposredno okružuje nije takav, ali daleki svemir je naprosto takav. Ali bizarnost ne staje na tome. Na samom kraju 20. stoljeća otkrili smo da se širenje ne odvija jednolikom brzinom nego da se svemir širi ubrzano.
6) Vidljiva svjetlost donosi tek djelić informacija o svemiru
Vidljiva svjetlost, od koje je ova priča krenula, i dalje je važan nositelj informacija o svemiru. Mnogi optički teleskopi širom svijeta iz noći u noć prikupljaju dragocjene podatke koji nam, malo pomalo, donose nova znanja. Međutim, danas dobar dio podataka o kozmičkim izvorima i procesima dobivamo zahvaljujući drugim nositeljima informacija. Nebo opažamo u radiopodručju, rendgenskom području, gama-području, zapravo u cijelom spektru elektromagnetskih valova. Svako područje zahtijeva vlastite metode i posebne instrumente. Visokoenergijsko gama-područje, u istraživanju kojega osobno sudjelujem, koristi posebne teleskope koje nazivamo Čerenkovljevi teleskopi. Ali ni to nije sve, važne informacije o svemiru danas nam donose i sasvim novi nositelji informacija, koji nisu elektromagnetski valovi. Primjerice, neutrinskim teleskopima opažamo astrofizičke neutrine, detektorima gravitacijskih valova opažamo gravitacijske valove, detektorima kozmičkih zraka opažamo atomske jezgre, većinom samo protone velikih energija koji dolijeću iz svemira.
7) 95% svemira je nepoznate prirode
Ako rezimiramo današnje znanje o svemiru, stanje baš nije blistavo. Zapravo je prilično tamno. Ako zbrojite mase svih zvijezda u svemiru, otprilike 100 milijardi zvijezda po galaksiji u svakoj od oko 100 milijardi galaksija u svemiru (slobodno dodate i mase svih planeta oko svih zvijezda, to neće bitno utjecati na rezultat), onda dobijete oko 0,1% svemira. To je kao jedna lipa na sto kuna. Dakle, zanemarivo. Pa onda tome dodate još slobodan plin (uglavnom vodik i helij) i prašinu u svemiru, crne rupe i ako baš hoćete Russellove čajnike i svemirske letjelice, sve što je građeno od kvarkova i elektrona. Sve to u zbroju neće premašiti 5% svemira. Ostalih 95% svemira čine tamna tvar i tamna energija, nešto čija nam je priroda zasad nepoznata. Do te spoznaje dovela su nas brojna opažanja u okviru standardnog modela fizičke kozmologije, što uključuje i teoriju velikog praska. A jedan od začetnika teorijskih temelja fizičke kozmologije, James Peebles, upravo je dobio Nobelovu nagradu za fiziku za 2019. godinu.
